EP1296797B1 - Procede de detection, de localisation et d'identification de defauts dans un cordon de soudure realise par faisceau laser - Google Patents

Procede de detection, de localisation et d'identification de defauts dans un cordon de soudure realise par faisceau laser Download PDF

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EP1296797B1
EP1296797B1 EP01984097A EP01984097A EP1296797B1 EP 1296797 B1 EP1296797 B1 EP 1296797B1 EP 01984097 A EP01984097 A EP 01984097A EP 01984097 A EP01984097 A EP 01984097A EP 1296797 B1 EP1296797 B1 EP 1296797B1
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EP
European Patent Office
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welding
sensors
stiffener
optical
measurement signals
Prior art date
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EP01984097A
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German (de)
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EP1296797A1 (fr
Inventor
Bruno Esmiller
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Aerospatiale Matra CCR
Original Assignee
Aerospatiale Matra CCR
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/005—Soldering by means of radiant energy
    • B23K1/0056—Soldering by means of radiant energy soldering by means of beams, e.g. lasers, electron beams [EB]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B23K26/242—Fillet welding, i.e. involving a weld of substantially triangular cross section joining two parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by any single one of main groups B23K1/00 - B23K28/00
    • B23K31/12—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by any single one of main groups B23K1/00 - B23K28/00 relating to investigating the properties, e.g. the weldability, of materials
    • B23K31/125—Weld quality monitoring

Definitions

  • the invention relates to a method designed for detect, locate and identify, so destructive and in real time, faults possibly present in weld beads produced by one or more laser beams in accordance with the preamble of claim 1 (see, for example, US-A-5,651,903).
  • the invention relates a method for detecting and identifying faults which uses optical sensors sensitive to variations in the light intensity of the plasma that forms in the welding area, under the action of the laser beams.
  • the invention applies to the welding of parts any metallic objects such as aluminum alloy, titanium alloy, steel stainless, etc. It can in particular be used to control the edge-to-edge welding of two sheets, the welding of a stiffener on a sheet (T-weld), etc ..
  • the invention is adaptable to different welding configurations.
  • it relates to all types of welding using one or more lasers, of the YAG, CO 2 type , etc., with or without filler metal.
  • Faults likely to be detected and identified by the process according to the invention are internal or external faults considered harmful for the weld bead.
  • these defects we will cite as nonlimiting examples the lack weld bead interpenetration in the case of a T-weld, filler wire problems, presence of holes or blisters, the existence of geometric defects, etc.
  • monitoring systems for welding used in the automotive industry use bulky sensors, placed in the immediate vicinity of the welding head. Such an arrangement limits the number of sensors and therefore the number of measurement signals available for detection faults.
  • the ultraviolet radiation from the plasma produced by the laser beam is detected by a sensor placed at near the welding point and fitted with a filter appropriate.
  • the analog signal delivered by the sensor is compared to a threshold and given the value 1 or 0 depending on whether it is above or below this threshold.
  • a first optical sensor observes changes in emissions plasma ultraviolet and a second optical sensor measures the temperature variations of the welding downstream of the welding area. We determine then the areas in which variations in signals emitted by these two sensors are maximum and, when these zones are substantially the same, we compare the signals to characteristic values of certain faults, to issue an error signal when a fault is detected. As in the case previous, this system does not detect and above all to reliably distinguish all faults possibly present on the weld bead.
  • the subject of the invention is a method to detect and identify, in real time and reliably and reproducibly, defects possibly present in weld beads made by laser.
  • this result is obtained by means of a detection process and identification of faults when carrying out a weld bead by at least one laser beam forming a plasma in a welding zone, according to which at least two signals are acquired in real time measurement delivered by separate optical sensors, detecting variations in light intensity of the plasma, characterized in that the signals of measure by applying at least one operator to them mathematical adapted to the detection of a corresponding fault, in order to obtain at least one signal combined, we compare each combined signal to a threshold predetermined, and the presence or the absence of the fault corresponding to each operator mathematical, depending on the result of the comparison.
  • the mathematical operator is chosen in the group comprising addition, subtraction, multiplication, division and a combination of these operations.
  • a first application of the invention concerns the welding of a stiffener on a sheet by two laser beams placed on either side of the stiffener.
  • a sensor When two or more groups are used a sensor, preferably add the signals of measurement delivered by a sensor from each group and detects the presence of a lack of interpenetration of weld seams due to a lack of power laser beams when the result is less than one first predetermined threshold.
  • the stiffener and the sheet are positioned beforehand relative to each other by solder points.
  • Another application of the invention concerns the edge-to-edge welding of two sheets by one single laser beam.
  • the measurement signals are acquired by means of at least a group of three sensors, the sensors of each group detecting emission variations light of the plasma respectively in a band of mainly ultraviolet frequencies, in a band of frequencies mainly visible and in a band mainly infrared frequencies.
  • optical sensors each comprising an optical fiber, a first of which end is placed close to the welding area, an optical filter placed in the extension of the second end of the optical fiber and a photodiode placed opposite the second end of the optical fiber, on the other side of the filter.
  • the first end of the optical fiber is preferably placed about 10 cm of the welding area.
  • thermo sensor detecting variations in thermal energy of the weld bead in back of the welding area.
  • the thermal sensor includes another optical fiber whose first end is placed behind the welding area and oriented to the weld bead, and a sensitive photodiode with thermal radiation and placed in the extension from the second end of the other optical fiber.
  • an optical focusing means such as a lens is placed at the first end of said optical fiber.
  • the first end of said fiber optics is then preferably placed at a distance between about 10 cm and about 20 cm from the welding area. Diameter measurement area included between 1 and 3 mm is preferably placed between 5mm and 5 cm behind the welding area depending on the material welded.
  • the measurement signals are combined and compares to said predetermined thresholds after said signals were acquired in real time for the cord welding considered.
  • the invention relates to non-destructive testing and in real time of the quality of a weld produced between two pieces 10 and 12 by one or more lasers 14 (illustrated by arrows in Figure 1).
  • the part 10 can in particular be a sheet metal substantially flat or slightly curved and part 12 a stiffener that we just weld on the internal face of the sheet 10 by means of two laser beams 14 located on either side of the stiffener 12.
  • the invention applies however to other types of assembly such that the edge-to-edge assembly of two sheets, etc.
  • exhibits 10 and 12 the welding must be checked are metal parts which can be made of different metals such than aluminum alloys, titanium alloys, stainless steels, etc.
  • the laser (s) 14 used to weld between them pieces 10 and 12 can be made by all types of lasers usually used in industry to weld the affected materials.
  • the pieces 10 and 12 that one desires assemble by welding are generally positioned beforehand with respect to each other by solder points (not shown).
  • the welding of parts 10 and 12 is carried out by a welding machine (not shown) which incorporates a welding head located near the parts 10 and 12 to be welded, and means for ensuring a relative displacement between said welding head and the parts according to a predetermined welding line.
  • a welding machine (not shown) which incorporates a welding head located near the parts 10 and 12 to be welded, and means for ensuring a relative displacement between said welding head and the parts according to a predetermined welding line.
  • the welding head includes in particular optical systems for directing the laser beams on the welding area, one or more filler metal feeders required welding and one or more nozzles through which a neutral gas such as argon or helium is brought into the welding area.
  • the welding machine a control or monitoring system solder, to detect, locate and identify in real time, i.e. during passage of the welding head, possible defects in the welding performed.
  • control system includes seven optical sensors C1 to C7, as well as means 10 for acquisition and processing of the measurement signals delivered by each of these sensors.
  • the number of optical sensors used can however be different from seven and made up of any number greater than or equal to two, without departing from the scope of the invention.
  • Sensors C1 to C6 are so-called sensors “plasma sensors”, which detect variations light intensity of the plasma formed by the beams laser 14, in the welding area. To this end, each of sensors C1 to C6 is mounted on the welding head and oriented towards the point of impact of the laser beams on parts 10 and 12.
  • Each of the plasma sensors C1 to C6 includes respectively an optical fiber 16-1 to 16-6 including one first end is located near the area of welding and oriented towards said zone, that is to say towards the point of impact of the laser beams 14 on the parts 10 and 12. More specifically, the optical fibers 16-1 to 16-3 are located on one side of the stiffener 12 and oriented towards the plasma formed by the laser beam 14 directed towards this same side, while the optical fibers 16-4 to 16-6 are located on the other side of the stiffener 12 and oriented towards the plasma formed by the beam laser 14 directed towards this other side. In order to avoid splashes of molten metal and high heat cleared during welding, the first end of each of the optical fibers 16-1 to 16-6 is placed at about 10 cm from the weld area.
  • the optical fibers 16-1 to 16-6 are, for example, PMMA index hopping fibers. This kind of fiber has the particular advantage of presenting a large numerical aperture allowing to observe the whole plasma, as well as good transmission for the observed wavelengths.
  • Each of the sensors C1 to C6 includes plus a respective optical filter 18-1 to 18-6, placed in the extension of the opposite end of the fiber corresponding optics.
  • the filters optics 18-1 and 18-4 of sensors C1 and C4 leave mainly pass a frequency band corresponding to ultraviolet radiation
  • the filters 18-2 and 18-5 of sensors C2 and C5 let through mainly a frequency band corresponding to visible radiation
  • filters 18-3 and 18-6 mainly pass a frequency band corresponding to infrared radiation.
  • Each of the sensors C1 to C6 includes addition, respectively, a photodiode 20-1 to 20-6 placed opposite the second end of the fiber corresponding optics, on the other side of the filter.
  • the photodiodes transform the optical signals they receive electrical signals. These last signals constitute the measurement signals delivered by the sensors C1 to C6.
  • Photodiodes 20-1 to 20-6 are, for example, sensitive silicon photodiodes in the area ranging from 0.3 to 1.1 ⁇ m.
  • optical fibers 16-1 to 16-6 allows have a high number of sensors, while minimizing the size of the control near the welding area. Indeed, relatively large items such as filters and photodiodes can be installed in outside this area.
  • This arrangement also makes it possible to acquire measurement signals representing a large number of different sizes (six in the example described), this which contributes to increasing the information allowing detect and distinguish possible faults one another.
  • the optional seventh optical sensor C7 is a so-called "thermal” sensor which detects variations in thermal energy of the weld bead in back of the welding area, i.e. back of the point of impact of the laser beams 14 on the parts 10 and 12.
  • the thermal sensor C7 also includes an optical fiber 16-7.
  • a first end of this optical fiber 16-7 is oriented towards the weld bead S formed behind the area of welding, on one side of the stiffener 12. More precisely, the first end of fiber optic 16-7 is oriented towards a point of the weld bead S located at a distance L between approximately 5 mm and approximately 1 cm in back of the welding area. Indeed, the others measuring point positions do not allow obtain exploitable signals.
  • the end of the optical fiber 16-7 facing the weld bead S is equipped with a focusing means 22-7, such as a lens 20 mm focal length, to limit the area of observation of sensor C7 at a circle of 1 to 3 mm from diameter approximately, and place the end of the fiber equipped with its focusing system between 10 and 20 cm from the welding area.
  • a focusing means 22-7 such as a lens 20 mm focal length
  • the optical fiber 16-7 is a fiber in silica with low attenuation in the near infrared (between 1 and 1.8 ⁇ m).
  • a 20-7 photodiode is placed opposite the opposite end of the fiber optics 16-7. This 20-7 photodiode transforms optical signals carried by optical fiber 16-7 in electrical signals, which also constitute measurement signals according to the invention.
  • the spectral response of photodiode 20-7 varies, by example, between 0.8 and 1.8 ⁇ m.
  • a filter 18-7 optic is also interposed between the fiber optics 16-7 and photodiode 20-7, to block the radiation of wavelength less than 1 ⁇ m, so the C7 sensor does not see the light emitted by the plasma.
  • An electronic band pass filter (no shown) is placed at the exit of each of photodiodes 20-1 to 20-7, in order to suppress possible noise in the processed signals.
  • the measurement signals delivered by each sensors C1 to C7 are transmitted to means 10 acquisition and processing.
  • These means which include a computer, can be located in any location, near or not near the welding head.
  • the means 10 for acquiring and processing measurement signals successively carry out a certain number of operations which will now be described in detail.
  • a first step E1 which takes place simultaneously with the production of the cords of welding S by the laser beams 14, we record the seven measurement signals delivered by the C1 sensors to C7.
  • a second step, illustrated in E2 on the Figure 3, is implemented when the cords of S welds are complete.
  • a step E3 it is verified that it there is no unacceptable drift of the control.
  • the overall average value of each of the measurement signals which has just been calculated, is compared to the overall average values of these signals recorded during a number of corresponding measurements previously made. AT as an example, we compare the last five values recorded. When this comparison reveals a drift greater than a predetermined threshold (for example, 30%), the operator is alerted by the trigger an alarm. This alarm can take a form any (visual, audible, etc.).
  • each of the seven signals is standardized. This is done by dividing the instantaneous value of each signal by the average value of this signal calculated in step E2. The standard deviation is then determined for each of the measurement signals, from standardized signals.
  • step E5 it is verified that the value of the standard deviation of each measurement signal which has just been calculated does not exceed a threshold predetermined specific to this signal. If this threshold is exceeded, the operator is informed by the emission of a alarm in any suitable form (sound, visual, etc.). Indeed, exceeding this threshold reveals a quality of weld that varies so excessive over its entire length.
  • the program then proceeds to a step E6, essential according to the invention, during which the different standardized measurement signals are processed from in order to detect, locate and identify various faults possibly present in the welding which has just been carried out.
  • step E6 we apply to the minus a simple mathematical operator to one or several groups of at least two measurement signals standardized, so as to obtain one or more signals combined.
  • Each operator and group of signals to which it is applied are specific to the detection of a particular type of fault, as illustrated in examples which will be described later.
  • Each combined signal obtained by the application of a particular operator is then compared, in E7, to a predetermined threshold, which depends also of the operator and, therefore, of the type of fault to be detected.
  • a predetermined threshold which depends also of the operator and, therefore, of the type of fault to be detected.
  • the operator is informed of the occurrence of an anomaly, the location of the defect and the nature of it.
  • This information can be provided by a means any such as a visual, audible or other alarm, a display, etc.
  • the results obtained by applying these different treatments are finally edited under the form of a summary report as indicated in E8 on Figure 3.
  • the summary report indicates in particular whether soldering is acceptable or not, if some settings must be changed on the machine welding, etc.
  • a first treatment we add standard measurement signals derived from sensors C1 and C4 or sensors C2 and C5. The operator is therefore a simple addition. We then compare the signal handset obtained at a predetermined threshold. If the sum previously calculated is below this threshold on a at least part of the length of the weld beads S, this means that there is a lack in this area of interpenetration of these weld beads and that this fault is caused by a lack of power laser beams. This information is then brought to operator knowledge in a form any appropriate.
  • FIG. 4A is a curve obtained during of a trial, applying this first treatment on the base of standardized measurement signals from sensors C1 and C4.
  • absc issa the distance (in mm) traveled along the weld bead and ordinate the combined signal SC1 corresponding to the sum of the measurement signals standardized from sensors C1 and C4.
  • this combined signal SC1 becomes below the lower threshold SI1 in the part of the weld beads located between 900 mm and 1350 mm.
  • interpenetration cords are insufficient in this area, due a lack of power of the laser beams.
  • a mathematical operator which adds on the one hand, the signals from sensors C1 and C4 and secondly, the signals from sensors C2 and C5, then multiply one by the other the two sums.
  • the combined signal obtained by applying this operator is then compared to a second predetermined threshold. If this threshold is exceeded, we deduce that there is a lack of interpenetration of the two weld beads S due to a problem other than the lack of power of laser beams. This other problem can be, for for example, a lack of filler metal. As in the case previous, the corresponding information is brought to the knowledge of the user.
  • a third treatment apply to standardized measurement signals from C1 sensors and C4 an operator constituted by a division.
  • the combined signal as well obtained is then compared to a third threshold superior. If the comparison reveals that the signal combined exceeds this third threshold, we deduce that the "pointing" of the parts is deficient. information is brought to the attention of the user in any suitable form.
  • the same fault can be detected by applying an operator comparable to the previous one, in which the two sums are replaced by two multiplications. We then compare the combined signal obtained by dividing the results of these two multiplications with another lower threshold predetermined.
  • the invention also applies to other types of welding.
  • it can also be used in the case of edge-to-edge welding of two sheets with a single beam laser.
  • At least two plasma sensors which detect variations in the light intensity of the plasma in different optical bands. Measuring signals standardized from these sensors can then be divided by each other to provide a signal combined, which is then compared to a lower threshold predetermined and / or at a predetermined upper threshold.
  • the combined signal is less than lower threshold, we deduce that the weld bead has a recessed part in the area concerned.
  • the combined signal is greater than upper threshold, we deduce that the weld bead is incomplete.
  • FIGS. 4B and 4C illustrate the results of tests carried out respectively during the edge-to-edge welding of two sheets of stainless steel and during the edge-to-edge welding of two sheets of titanium alloy. In both cases, the welding was carried out by a CO 2 laser. As in FIG. 4A, the distance (in mm) along the weld bead has been plotted on the abscissa and the value of the signal ratio corresponding to the combined signal has been plotted on the ordinate.
  • the signal SC2 handset is below the lower threshold predetermined between 301 mm and 340 mm and greater than SS2 predetermined upper threshold from 340 mm to 392 mm.
  • the weld bead has a part recessed in the first zone and an unwelded part in the second zone.
  • the signal handset SC3 exceeds the predetermined upper threshold SS3 in the part of the weld bead corresponding to a distance greater than 270 mm. We deduce that the weld bead is incomplete in this area.
  • the mathematical operator used according to the invention is an operator simple consisting of an addition, a subtraction, a multiplication, a division or a combination any of these different operations.
  • the number of sensors used can also be a number any, greater than or equal to two.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)

Description

L'invention concerne un procédé conçu pour détecter, localiser et identifier, de manière non destructive et en temps réel, des défauts éventuellement présents dans des cordons de soudure réalisés par un ou plusieurs faisceaux laser conformément au préambule de la revendication 1 (voir, par example, US-A-5 651 903).
De façon plus précise, l'invention concerne un procédé de détection et d'identification de défauts qui fait appel à des capteurs optiques sensibles aux variations d'intensité lumineuse du plasma qui se forme dans la zone de soudage, sous l'action du ou des faisceaux laser.
L'invention s'applique au soudage de pièces métalliques quelconques telles que des pièces en alliage d'aluminium, en alliage de titane, en acier inoxydable, etc.. Elle peut notamment être utilisée pour contrôler le soudage bord à bord de deux tôles, le soudage d'un raidisseur sur une tôle (soudure en T), etc..
Par ailleurs, l'invention est adaptable à différentes configurations de soudage. Ainsi, elle concerne tous les types de soudage mettant en oeuvre un ou plusieurs laser, de type YAG, CO2, etc., avec ou sans métal d'apport.
Les défauts susceptibles d'être détectés et identifiés par le procédé selon l'invention sont des défauts internes ou externes considérés comme nocifs pour le cordon de soudure. Parmi ces défauts, on citera à titre d'exemples non limitatifs le manque d'interpénétration des cordons de soudure dans le cas d'une soudure en T, les problèmes de fil d'apport, la présence de trous ou de soufflures, l'existence de défauts géométriques, etc..
Etat de la technique
Dans l'industrie aéronautique, l'assemblage des différentes pièces telles que les tôles formant l'enveloppe extérieure (fuselage, voilure, etc.) d'un aéronef, entre elles ainsi qu'avec les raidisseurs internes, est habituellement réalisé au moyen de rivets. Le remplacement des assemblages rivetés traditionnels par des assemblages soudés constituerait un progrès notable, en particulier en termes de masse, d'aérodynamisme et de temps de fabrication.
Pour ne pas déformer les tôles de revêtement dans le cas d'un assemblage tôle-raidisseur, le remplacement des assemblages rivetés par des assemblages soudés impose l'utilisation du soudage par laser. En effet, cette technique autorise des vitesses de travail élevées sans entraíner de déformations importantes.
Dans l'hypothèse où la technique du soudage par laser serait utilisée à la place de la technique traditionnelle d'assemblage par rivets, on doit pouvoir disposer de moyens efficaces et fiables pour contrôler les cordons de soudure et identifier les défauts éventuellement détectés, afin de pouvoir y remédier rapidement. Ces moyens de contrôle doivent être non destructifs et permettre, autant que possible, une acquisition en temps réel des données permettant le contrôle, c'est-à-dire directement lors du passage de la tête de soudage.
Il existe des systèmes de contrôle ou de suivi du soudage réalisé par un ou plusieurs lasers, qui utilisent des capteurs optiques mesurant les variations de luminosité du plasma ou les variations de température du cordon de soudure. Le système de suivi commercialisé sous la dénomination JURCA «LWM900» comporte les deux types de capteurs. Le système de suivi commercialisé sous la dénomination PROMOTEC «Welding Monitor FP1000» comporte seulement des capteurs sensibles aux variations de luminosité du plasma.
Ces systèmes de suivi de soudage existants sont en majorité appliqués à l'industrie automobile et destinés au contrôle de cordons de soudure réalisés entre des pièces en acier. Les moyens de traitement des signaux délivrés par les capteurs sont conçus essentiellement en fonction de la réponse des capteurs à ce matériau. Ils sont donc totalement inadaptés à des matériaux de nature différente, et notamment aux alliages de titane ou d'aluminium utilisés dans d'autres industries telles que l'industrie aéronautique. De plus, les moyens de traitement des signaux utilisés dans ces systèmes de suivi de soudage connus ne présentent pas la précision et la fiabilité requises dans le cadre de cette dernière industrie.
Par ailleurs, les systèmes de suivi de soudage utilisés dans l'industrie automobile utilisent des capteurs encombrants, placés à proximité immédiate de la tête de soudage. Un tel agencement limite le nombre des capteurs et, par conséquent, le nombre de signaux de mesure disponibles pour assurer la détection des défauts.
Parmi les systèmes de suivi de soudage existants, on citera également les systèmes décrits dans les documents US-A-5 329 091, US-A-5 651 903 et US-A-5 272 312.
Dans le document US-A-5 329 091, le rayonnement ultraviolet du plasma produit par le faisceau laser est détecté par un capteur placé à proximité du point de soudage et muni d'un filtre approprié. Le signal analogique délivré par le capteur est comparé à un seuil et on lui donne la valeur 1 ou 0 selon qu'il est supérieur ou inférieur à ce seuil. On trie ensuite les périodes où le signal est égal à 0, selon leurs durées. Ce système permet de détecter certains défauts. Toutefois, il ne permet pas de les identifier de façon certaine et en totalité.
Dans le document US-A-5 651 903, un premier capteur optique observe les variations d'émissions ultraviolettes du plasma et un deuxième capteur optique mesure les variations de température du cordon de soudure en aval de la zone de soudage. On détermine ensuite les zones dans lesquelles les variations des signaux émis par ces deux capteurs sont maximales et, lorsque ces zones sont sensiblement les mêmes, on compare les signaux à des valeurs caractéristiques de certains défauts, pour émettre un signal d'erreur lorsqu'un défaut est détecté. Comme dans le cas précédent, ce système ne permet pas de détecter et surtout de distinguer de façon fiable tous les défauts éventuellement présents sur le cordon de soudure.
Dans le document US-A-5 272 312, on utilise deux capteurs optiques orientés vers le plasma formé par le faisceau laser et observant respectivement les rayonnements ultraviolet et infrarouge. D'éventuels défauts sont détectés en traitant individuellement le signal délivré par chacun des capteurs. La discrimination entre les différents types de défauts n'est pas assurée de façon fiable.
Dans le document US-A-5,486,677, on régule la profondeur de fusion d'une pièce soumise à l'action d'un faisceau laser à partir des signaux émis par des détecteurs sensibles aux signaux optiques émis par le plasma ou la vapeur, ou après réflexion sur un miroir. On effectue une transformation de Fourier fixe sur les signaux, pour les soumettre à une analyse de fréquence, puis les diviser en deux bandes de fréquences différentes. On dérive de chacune de ces bandes deux amplitudes moyennes et on divise l'une par l'autre, pour calculer une valeur permettant de contrôler la profondeur de fusion.
Exposé de l'invention
L'invention a pour objet un procédé permettant de détecter et d'identifier, en temps réel et de façon fiable et reproductible, des défauts éventuellement présents dans des cordons de soudure réalisés par laser.
Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un procédé de détection et d'identification de défauts lors de la réalisation d'un cordon de soudure par au moins un faisceau laser formant un plasma dans une zone de soudage, selon lequel on acquiert en temps réel au moins deux signaux de mesure délivrés par des capteurs optiques distincts, détectant des variations d'intensité lumineuse du plasma, caractérisé en ce qu'on combine les signaux de mesure en leur appliquant au moins un opérateur mathématique adapté à la détection d'un défaut correspondant, afin d'obtenir au moins un signal combiné, on compare chaque signal combiné à un seuil prédéterminé, et on diagnostique la présence ou l'absence du défaut correspondant à chaque opérateur mathématique, selon le résultat de la comparaison.
Le demandeur a établi que la combinaison de signaux assurée par l'application de certains opérateurs mathématiques particulièrement simples permet de distinguer à volonté les différents défauts les uns des autres.
Dans un mode de réalisation préférée de l'invention, l'opérateur mathématique est choisi dans le groupe comprenant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et une combinaison de ces opérations.
Une première application de l'invention concerne la soudure d'un raidisseur sur une tôle par deux faisceaux laser placés de part et d'autre du raidisseur.
Dans cette application, on utilise deux groupes d'au moins un capteur optique ou deux groupes d'au moins deux capteurs optiques détectant des variations d'intensité lumineuse du plasma dans des bandes optiques différentes, disposés de part et d'autre du raidisseur, les capteurs optiques des deux groupes étant identiques.
Lorsqu'on utilise deux groupes d'au moins un capteur, on additionne de préférence les signaux de mesure délivrés par un capteur de chaque groupe et on détecte la présence d'un manque d'interpénétration des cordons de soudure dû à un manque de puissance des faisceaux laser lorsque le résultat est inférieur à un premier seuil prédéterminé.
Lorsqu'on utilise deux groupes d'au moins deux capteurs, on additionne avantageusement d'une part les signaux de mesure délivrés par une première paire de capteurs identiques et d'autre part les signaux de mesure délivrés par une deuxième paire de capteurs identiques, on multiplie l'une par l'autre les deux sommes obtenues et on détecte un manque d'interpénétration des cordons de soudure, dû à un défaut autre qu'un manque de puissance des faisceaux laser, lorsque le résultat est supérieur à un deuxième seuil prédéterminé.
Généralement, le raidisseur et la tôle sont positionnés au préalable l'un par rapport à l'autre par des points de soudure. On utilise alors de préférence deux groupes d'au moins un capteur, on divise l'un par l'autre les signaux de mesure délivrés par deux capteurs identiques et on détecte la présence de points de soudure de positionnement préalable déficients lorsque le résultat est supérieur à un troisième seuil prédéterminé.
Lorsqu'on utilise deux groupes d'au moins deux capteurs, on additionne avantageusement d'une part les signaux de mesure délivrés par une première paire de capteurs identiques et d'autre part les signaux de mesure délivrés par une deuxième paire de capteurs identiques, on divise l'une par l'autre les deux sommes obtenues, et on détecte une largeur insuffisante du cordon de soudure lorsque le résultat de la division est inférieur à un quatrième seuil prédéterminé.
Une autre application de l'invention concerne la soudure bord à bord de deux tôles par un seul faisceau laser.
Dans ce cas, on utilise avantageusement au moins deux capteurs optiques détectant des variations d'intensité lumineuse du plasma dans des bandes optiques différentes, on divise l'un par l'autre les signaux de mesure délivrés par deux des capteurs et on détecte un manque d'épaisseur du cordon de soudure lorsque le résultat obtenu est inférieur à un premier seuil et une absence de soudage lorsque le résultat est supérieur à un deuxième seuil, supérieur au premier.
Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, on acquiert les signaux de mesure au moyen d'au moins un groupe de trois capteurs, les capteurs de chaque groupe détectant les variations d'émission lumineuse du plasma respectivement dans une bande de fréquences principalement ultraviolette, dans une bande de fréquences principalement visible et dans une bande de fréquences principalement infrarouge.
Selon un autre aspect de l'invention, on utilise des capteurs optiques, dits capteurs «plasma», comprenant chacun une fibre optique dont une première extrémité est placée à proximité de la zone de soudage, un filtre optique placé dans le prolongement de la deuxième extrémité de la fibre optique et une photodiode placée en face de la deuxième extrémité de la fibre optique, de l'autre côté du filtre.
Dans ce cas, la première extrémité de la fibre optique est placée de préférence à environ 10 cm de la zone de soudage.
Avantageusement, on acquiert un signal de mesure supplémentaire au moyen d'un autre capteur optique, appelé "capteur thermique" détectant des variations d'énergie thermique du cordon de soudure en arrière de la zone de soudage.
Dans ce cas, le capteur thermique comprend une autre fibre optique dont une première extrémité est placée en arrière de la zone de soudage et orientée vers le cordon de soudure, et une photodiode sensible au rayonnement thermique et placée dans le prolongement de la deuxième extrémité de l'autre fibre optique. Par ailleurs, un moyen optique de focalisation tel qu'une lentille est placé à la première extrémité de ladite fibre optique. La première extrémité de ladite fibre optique est alors placée de préférence à une distance comprise entre environ 10 cm et environ 20 cm de la zone de soudage. La zone de mesure de diamètre compris entre 1 et 3 mm est placée de préférence entre 5mm et 5 cm en arrière de la zone de soudage selon le matériau soudé.
Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, on combine les signaux de mesure et on les compare auxdits seuils prédéterminés après que lesdits signaux aient été acquis en temps réel pour le cordon de soudage considéré.
Dans ce cas, on calcule avantageusement la valeur moyenne, la valeur moyenne normalisée, puis l'écart type de chaque signal de mesure, et on diagnostique une qualité irrégulière de la soudure lorsque l'écart type dépasse une valeur prédéterminée.
On peut alors ensuite comparer la valeur moyenne de chaque signal de mesure aux valeurs moyennes précédentes dudit signal, enregistrées pour un nombre donné de cordons de soudure contrôlés auparavant et on diagnostique une dérive de l'appareil de mesure lorsque la valeur moyenne du signal a varié d'environ 30%, au moins, par rapport aux valeurs moyennes précédentes.
Brève description des dessins
On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préféré de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :
  • la figure 1 est une vue en perspective qui représente schématiquement un appareil de soudage laser utilisé pour le soudage d'un raidisseur sur une tôle et équipé d'un système de détection et d'identification de défauts mettant en oeuvre le procédé selon l'invention ;
  • la figure 2 est une vue de côté, illustrant schématiquement la position du capteur thermique par rapport à celle des capteurs plasma ;
  • la figure 3 est un organigramme expliquant les différentes étapes du traitement des signaux de mesure dans le système de détection et d'identification de défauts de la figure 1 ;
  • les figures 4A à 4C sont des courbes qui illustrent, dans trois applications particulières, la comparaison de signaux de mesure combinés à des valeurs de seuil prédéterminées, effectuée conformément à l'invention.
Exposé détaillé d'un mode de réalisation préféré de l'invention
Comme l'illustre schématiquement la figure 1, l'invention concerne le contrôle non destructif et en temps réel de la qualité d'une soudure réalisée entre deux pièces 10 et 12 par un ou plusieurs lasers 14 (illustrés par des flèches sur la figure 1). Comme on l'a représenté à titre d'exemple non limitatif, la pièce 10 peut notamment être une tôle sensiblement plane ou de faible courbure et la pièce 12 un raidisseur que l'on vient souder sur la face interne de la tôle 10 au moyen de deux faisceaux laser 14 situés de part et d'autre du raidisseur 12. L'invention s'applique toutefois à d'autres types d'assemblage tels que l'assemblage bord à bord de deux tôles, etc..
Par ailleurs, les pièces 10 et 12 dont le soudage doit être contrôlé sont des pièces métalliques qui peuvent être réalisées en différents métaux tels que des alliages d'aluminium, des alliages de titane, des aciers inoxydables, etc..
Le ou les lasers 14 utilisés pour souder entre elles les pièces 10 et 12 peuvent être constitués par tous types de lasers utilisés habituellement dans l'industrie pour souder les matériaux concernés.
Selon une technique habituelle, dite de "pointage", les pièces 10 et 12 que l'on désire assembler par soudage sont généralement positionnées préalablement l'une par rapport à l'autre par des points de soudure (non représentés).
La soudure des pièces 10 et 12 est réalisée par une machine de soudage (non représentée) qui intègre une tête de soudage située à proximité des pièces 10 et 12 à souder, et des moyens pour assurer un déplacement relatif entre ladite tête de soudage et les pièces selon une ligne de soudage prédéterminée. Ces différents éléments sont bien connus de l'homme du métier et ne font pas partie de l'invention. Il n'en sera donc fait aucune description. Pour une bonne compréhension de l'invention, il est simplement rappelé ici que la tête de soudage intègre notamment des systèmes optiques permettant de diriger le ou les faisceaux laser sur la zone de soudage, un ou des dispositifs d'alimentation en métal d'apport nécessaire à la soudure et une ou plusieurs buses par lesquelles un gaz neutre tel que de l'argon ou de l'hélium est amené dans la zone de soudage.
Conformément à l'invention, on intègre à la machine de soudage un système de contrôle ou de suivi de soudure, permettant de détecter, de localiser et d'identifier en temps réel, c'est-à-dire lors du passage de la tête de soudage, d'éventuels défauts dans la soudure réalisée.
Dans le mode de réalisation préféré de l'invention illustré schématiquement sur la figure 1, le système de contrôle comprend sept capteurs optiques C1 à C7, ainsi que des moyens 10 d'acquisition et de traitement des signaux de mesure délivrés par chacun de ces capteurs. Dans d'autres applications, le nombre des capteurs optiques utilisés peut toutefois être différent de sept et constitué par un nombre quelconque supérieur ou égal à deux, sans sortir du cadre de l'invention.
Les capteurs C1 à C6 sont des capteurs dits "capteurs plasma", qui détectent des variations d'intensité lumineuse du plasma formé par les faisceaux laser 14, dans la zone du soudage. A cet effet, chacun des capteurs C1 à C6 est monté sur la tête de soudage et orienté vers le point d'impact des faisceaux laser sur les pièces 10 et 12.
Chacun des capteurs plasma C1 à C6 comprend respectivement une fibre optique 16-1 à 16-6 dont une première extrémité est située à proximité de la zone de soudage et orientée vers ladite zone, c'est-à-dire vers le point d'impact des faisceaux laser 14 sur les pièces 10 et 12. Plus précisément, les fibres optiques 16-1 à 16-3 sont situées d'un côté du raidisseur 12 et orientées vers le plasma formé par le faisceau laser 14 dirigé vers ce même côté, alors que les fibres optiques 16-4 à 16-6 sont situées de l'autre côté du raidisseur 12 et orientées vers le plasma formé par le faisceau laser 14 dirigé vers cet autre côté. Afin d'éviter les projections de métal fondu ainsi que la forte chaleur dégagée lors de la soudure, la première extrémité de chacune des fibres optiques 16-1 à 16-6 est placée à environ 10 cm de la zone de soudure.
Les fibres optiques 16-1 à 16-6 sont, par exemple, des fibres en PMMA à saut d'indice. Ce type de fibres a notamment pour avantage de présenter une importante ouverture numérique permettant d'observer l'ensemble du plasma, ainsi qu'une bonne transmission pour les longueurs d'onde observées.
Chacun des capteurs C1 à C6 comprend de plus un filtre optique respectif 18-1 à 18-6, placé dans le prolongement de l'extrémité opposée de la fibre optique correspondante. Plus précisément, les filtres optiques 18-1 et 18-4 des capteurs C1 et C4 laissent passer principalement une bande de fréquences correspondant à un rayonnement ultraviolet, les filtres 18-2 et 18-5 des capteurs C2 et C5 laissent passer principalement une bande de fréquences correspondant à un rayonnement visible et les filtres 18-3 et 18-6 laissent passer principalement une bande de fréquences correspondant à un rayonnement infrarouge.
Chacun des capteurs C1 à C6 comprend en outre, respectivement, une photodiode 20-1 à 20-6 placée en face de la deuxième extrémité de la fibre optique correspondante, de l'autre côté du filtre. Les photodiodes transforment les signaux optiques qu'elles reçoivent en signaux électriques. Ces derniers signaux constituent les signaux de mesure délivrés par les capteurs C1 à C6. Les photodiodes 20-1 à 20-6 sont, par exemple, des photodiodes en silicium sensibles dans la zone allant de 0,3 à 1,1 µm.
Dans l'agencement qui vient d'être décrit, l'utilisation des fibres optiques 16-1 à 16-6 permet de disposer d'un nombre de capteurs élevé, tout en réduisant au maximum l'encombrement du système de contrôle à proximité de la zone de soudage. En effet, les éléments relativement volumineux tels que les filtres et les photodiodes peuvent être installés en dehors de cette zone.
Cet agencement permet également d'acquérir des signaux de mesure représentant un grand nombre de grandeurs différentes (six dans l'exemple décrit ), ce qui contribue à accroítre les informations permettant de détecter les défauts éventuels et de les distinguer les uns des autres.
Le septième capteur optique C7, facultatif, est un capteur dit "thermique" qui détecte des variations d'énergie thermique du cordon de soudure en arrière de la zone de soudage, c'est-à-dire en arrière du point d'impact des faisceaux laser 14 sur les pièces 10 et 12.
De façon plus précise et comme l'illustre en particulier la figure 2, le capteur thermique C7 comprend également une fibre optique 16-7. Une première extrémité de cette fibre optique 16-7 est orientée vers le cordon de soudure S formé en arrière de la zone de soudage, d'un côté du raidisseur 12. Plus précisément, la première extrémité de la fibre optique 16-7 est orientée vers un point du cordon de soudure S situé à une distance L entre environ 5 mm et environ 1 cm en arrière de la zone de soudage. En effet, les autres positions du point de mesure ne permettent pas d'obtenir des signaux exploitables..
L'extrémité de la fibre optique 16-7 tournée vers le cordon de soudure S est équipée d'un moyen de focalisation 22-7, tel qu'une lentille de focale 20 mm, permettant de limiter la zone d'observation du capteur C7 à un cercle de 1 à 3 mm de diamètre environ, et de placer l'extrémité de la fibre équipée de son système de focalisation entre 10 et 20 cm de la zone de soudage.
La fibre optique 16-7 est une fibre en silice ayant une faible atténuation dans le proche infrarouge (entre 1 et 1,8 µm ). Une photodiode 20-7 est placée en face de l'extrémité opposée de la fibre optique 16-7. Cette photodiode 20-7 transforme les signaux optiques acheminés par la fibre optique 16-7 en signaux électriques, qui constituent également des signaux de mesure conformément à l'invention. La réponse spectrale de la photodiode 20-7 varie, par exemple, entre 0,8 et 1,8 µm. Dans ce cas, un filtre optique 18-7 est également interposé entre la fibre optique 16-7 et la photodiode 20-7, pour bloquer le rayonnement de longueur d'onde inférieure à 1 µm, afin que le capteur C7 ne voie pas la lumière émise par le plasma.
Un filtre électronique passe bande (non représenté) est placé à la sortie de chacune des photodiodes 20-1 à 20-7, afin de supprimer d'éventuels parasites dans les signaux traités.
Les signaux de mesure délivrés par chacun des capteurs C1 à C7 sont transmis aux moyens 10 d'acquisition et de traitement. Ces moyens, qui intègrent notamment un ordinateur, peuvent être implantés en un lieu quelconque, à proximité ou non de la tête de soudage.
Comme l'illustre schématiquement la figure 3,. les moyens 10 d'acquisition et de traitement des signaux de mesure effectuent successivement un certain nombre d'opérations qui vont à présent être décrites en détail.
Lors d'une première étape E1, qui s'effectue simultanément à la réalisation des cordons de soudure S par les faisceaux laser 14, on enregistre les sept signaux de mesure délivrés par les capteurs C1 à C7.
Une seconde étape, illustrée en E2 sur la figure 3, est mise en oeuvre lorsque les cordons de soudure S sont terminés. A ce stade, on calcule, pour chacun des signaux de mesure, la valeur moyenne globale de ce signal sur toute la durée de la mesure correspondant à la réalisation des cordons de soudure S considérés. On calcule ensuite la valeur moyenne normalisée de chaque signal de mesure, en ramenant ce signal à l'unité. On s'affranchit ainsi, notamment, des problèmes découlant de décalages dans les mesures dus à des différences de positionnement relatif des capteurs. La valeur moyenne globale et la valeur moyenne normalisée de chacun des signaux sont enregistrées dans un fichier dans lequel est gardé en mémoire l'historique de tous les contrôles effectués.
Lors d'une étape E3, on vérifie qu'il n'existe pas de dérive inacceptable du système de contrôle. A cet effet, la valeur moyenne globale de chacun des signaux de mesure, qui vient d'être calculée, est comparée aux valeurs moyennes globales de ces signaux enregistrées lors d'un certain nombre de mesures correspondantes effectuées précédemment. A titre d'exemple, on compare les cinq dernières valeurs enregistrées. Lorsque cette comparaison révèle une dérive supérieure à un seuil prédéterminé (par exemple, 30%), l'opérateur en est averti par le déclenchement d'une alarme. Cette alarme peut prendre une forme quelconque (visuelle, sonore, etc.).
Lors de l'étape suivante, identifiée par la référence E4 sur la figure 3, chacun des sept signaux de mesure est normalisé. Cette opération est effectuée en divisant la valeur instantanée de chaque signal par la valeur moyenne de ce signal calculée à l'étape E2. On détermine ensuite l'écart type pour chacun des signaux de mesure, à partir des signaux normalisés.
Lors de l'étape E5 suivante, on vérifie que la valeur de l'écart type de chaque signal de mesure qui vient d'être calculée ne dépasse pas un seuil prédéterminé propre à ce signal. Si ce seuil est dépassé, l'opérateur en est averti par l'émission d'une alarme sous une forme quelconque appropriée (sonore, visuelle, etc.). En effet, le dépassement de ce seuil révèle une qualité de soudure qui varie de façon excessive sur toute sa longueur.
Le programme passe ensuite à une étape E6, essentielle selon l'invention, au cours de laquelle les différents signaux de mesure normalisés sont traités de façon à détecter, localiser et identifier les différents défauts éventuellement présents dans la soudure qui vient d'être réalisée.
Au cours de cette étape E6 on applique au moins un opérateur mathématique simple à un ou plusieurs groupes d'au moins deux signaux de mesure normalisés, de façon à obtenir un ou plusieurs signaux combinés. Chaque opérateur et le groupe de signaux auquel il est appliqué sont propres à la détection d'un type de défaut particulier, comme l'illustreront les exemples qui seront décrits par la suite.
Chaque signal combiné obtenu par l'application d'un opérateur particulier est ensuite comparé, en E7, à un seuil prédéterminé, qui dépend également de l'opérateur et, par conséquent, du type de défaut à détecter. Lorsque le signal combiné franchit ce seuil (c'est-à-dire lorsqu'il devient supérieur à ce seuil lorsque celui-ci correspond à une valeur maximale ou lorsqu'il devient inférieur à ce seuil lorsque celui-ci correspond à une valeur minimale), l'opérateur est informé de la survenance d'une anomalie, de l'emplacement du défaut et de la nature de celui-ci. Cette information peut être assurée par un moyen quelconque tel qu'une alarme visuelle, sonore ou autre, un affichage, etc..
Les résultats obtenus par l'application de ces différents traitements sont enfin édités sous la forme d'un rapport de synthèse comme indiqué en E8 sur la figure 3. Le rapport de synthèse indique notamment si la soudure est acceptable ou non, si certains réglages doivent être modifiés sur la machine de soudage, etc..
Dans le cas particulier, illustré sur les figures 1 et 2, du soudage d'un raidisseur 12 sur une tôle 10 différents traitements susceptibles d'être effectués à l'étape E7 vont à présent être décrits à titre d'exemples, lorsqu'on dispose des sept capteurs C1 à C7.
Selon un premier traitement, on additionne les signaux de mesure normalisés dérivés des capteurs C1 et C4 ou des capteurs C2 et C5. L'opérateur est donc une simple addition. On compare ensuite le signal combiné obtenu à un seuil prédéterminé. Si la somme précédemment calculée est inférieure à ce seuil sur une partie au moins de la longueur des cordons de soudure S, cela signifie qu'il existe dans cette zone un manque d'interpénétration de ces cordons de soudure et que ce défaut a pour origine un manque de puissance des faisceaux laser. Cette information est alors portée à la connaissance de l'opérateur, sous une forme quelconque appropriée.
La figure 4A est une courbe obtenue lors d'un essai, en appliquant ce premier traitement sur la base des signaux de mesure normalisés issus des capteurs C1 et C4. Sur cette courbe, on a porté en abscisses la distance (en mm) parcourue le long du cordon de soudure et en ordonnées le signal combiné SC1 correspondant à la somme des signaux de mesure normalisés issus des capteurs C1 et C4. On voit que ce signal combiné SC1 devient inférieur au seuil inférieur SI1 dans la partie des cordons de soudure située entre 900 mm et1350 mm. On en déduit que l'interpénétration des cordons est insuffisante dans cette zone, en raison d'un manque de puissance des faisceaux laser.
Selon un deuxième traitement, on applique aux signaux de mesure normalisés issus des capteurs C1,C2,C4 et C5 un opérateur mathématique qui additionne d'une part les signaux issus des capteurs C1 et C4 et d'autre part les signaux issus des capteurs C2 et C5, puis multiplie l'une par l'autre les deux sommes. Le signal combiné obtenu en appliquant cet opérateur est ensuite comparé à un deuxième seuil prédéterminé. Si ce seuil est dépassé, on en déduit qu'il existe un manque d'interpénétration des deux cordons de soudure S dû à un problème autre que le manque de puissance des faisceaux laser. Cet autre problème peut être, par exemple, un manque de métal d'apport. Comme dans le cas précédent, l'information correspondante est portée à la connaissance de l'utilisateur.
Selon un troisième traitement, on applique aux signaux de mesure normalisés issus des capteurs C1 et C4 un opérateur constitué par une division. En d'autres termes, on divise le signal de mesure normalisé issu du capteur C1 par le signal de mesure normalisé issu du capteur C4. Le signal combiné ainsi obtenu est ensuite comparé à un troisième seuil supérieur. Si la comparaison révèle que le signal combiné dépasse ce troisième seuil, on en déduit que le "pointage" des pièces est déficient. L'information correspondante est portée à la connaissance de l'utilisateur sous une forme quelconque appropriée.
Enfin, selon un quatrième traitement, on calcule d'une part la somme des signaux de mesure normalisés issus des capteurs C1 et C4 et, d'autre part, la somme des signaux de mesure normalisés issus des capteurs C2 et C5. On divise ensuite la première de ces sommes par la deuxième, après quoi on compare le signal combiné obtenu à un quatrième seuil inférieur. Lorsque cette comparaison révèle que le signal combiné ainsi calculé est inférieur à ce quatrième seuil, on en déduit que les cordons de soudure S sont trop étroits. L'information correspondante est portée à la connaissance de l'utilisateur sous une forme quelconque appropriée.
Le même défaut peut être détecté en appliquant un opérateur comparable au précédent, dans lequel les deux sommes sont remplacées par deux multiplications. On compare alors le signal combiné obtenu en divisant l'un par l'autre les résultats de ces deux multiplications avec un autre seuil inférieur prédéterminé.
Comme on l'a déjà indiqué, l'invention s'applique également à d'autres types de soudage. Ainsi, elle peut aussi être utilisée dans le cas du soudage bord à bord de deux tôles par un seul faisceau laser.
Dans ce cas, on utilise par exemple au moins deux capteurs plasma, qui détectent des variations d'intensité lumineuse du plasma dans des bandes optiques différentes. Les signaux de mesure normalisés issus de ces capteurs peuvent alors être divisés l'un par l'autre pour fournir un signal combiné, que l'on compare ensuite à un seuil inférieur prédéterminé et/ou à un seuil supérieur prédéterminé.
Lorsque le signal combiné est inférieur au seuil inférieur, on en déduit que le cordon de soudure présente une partie en creux dans la zone concernée. Lorsque au contraire le signal combiné est supérieur au seuil supérieur, on en déduit que le cordon de soudure est incomplet.
Les figures 4B et 4C illustrent les résultats d'essais effectués respectivement lors du soudage bord à bord de deux tôles d'acier inoxydable et lors du soudage bord à bord de deux tôles en alliage de titane. Dans les deux cas, le soudage a été réalisé par un laser CO2. Comme sur la figure 4A, on a porté en abscisses la distance (en mm) le long du cordon de soudure et en ordonnées la valeur du rapport de signaux correspondant au signal combiné.
Dans le cas de la figure 4B, le signal combiné SC2 est inférieur au seuil inférieur prédéterminé entre 301 mm et 340 mm et supérieur au seuil supérieur prédéterminé SS2 de 340 mm à 392 mm. On en déduit que le cordon de soudure présente une partie en creux dans la première zone et une partie non soudée dans la deuxième zone.
Dans le cas de la figure 4C, le signal combiné SC3 dépasse le seuil supérieur prédéterminé SS3 dans la partie du cordon de soudure correspondant à une distance supérieure à 270 mm. On en déduit que le cordon de soudure est incomplet dans cette zone.
De façon générale, l'opérateur mathématique utilisé conformément à l'invention est un opérateur simple constitué par une addition, une soustraction, une multiplication, une division ou une combinaison quelconque de ces différentes opérations. Le nombre des capteurs utilisés peut également être un nombre quelconque, supérieur ou égal à deux.

Claims (17)

  1. Procédé de détection, de localisation et d'identification de défauts lors de la réalisation d'un cordon de soudure (S) par au moins un faisceau laser (14) formant un plasma dans une zone de soudage, selon lequel on acquiert en temps réel au moins deux signaux de mesure délivrés par des capteurs optiques (C1-C6) distincts, détectant des variations d'intensité lumineuse du plasma, caractérisé en ce qu'on combine, pour chacun des défauts à détecter, localiser et à identifier, les au moins deux signaux de mesure délivrés par les capteurs optiques (C1-C6) en leur appliquant au moins un opérateur mathématique adapté à la détection d'un défaut correspondant, afin d'obtenir au moins un signal combiné, on compare chaque signal combiné à un seuil prédéterminé associé au défaut correspondant, et on diagnostique la présence ou l'absence du défaut correspondant à chaque opérateur mathématique, selon le résultat de la comparaison.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'opérateur mathématique est choisi dans le groupe comprenant l'addition, la soustraction, la multiplication, la division et une combinaison de celles-ci.
  3. Procédé selon la revendication 2, appliqué à la soudure d'un raidisseur (12) sur une tôle (10) par deux faisceaux laser (14) placés de part et d'autre du raidisseur, dans lequel on utilise deux groupes d'au moins un capteur optique (C1,C2,C3;C4,C5,C6) disposés de part et d'autre du raidisseur, les capteurs optiques des deux groupes étant identiques, on additionne les signaux de mesure délivrés par un capteur de chaque groupe et on détecte la présence d'un manque d'interpénétration des cordons de soudure dû à un manque de puissance des faisceaux laser lorsque le résultat est inférieur à un premier seuil prédéterminé.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, appliqué à la soudure d'un raidisseur (12) sur une tôle (10) par deux faisceaux laser (14) placés de part et d'autre du raidisseur, dans lequel on utilise deux groupes d'au moins deux capteurs optiques (C1,C2,C3 ;C4,C5,C6) détectant des variations d'intensité lumineuse du plasma dans des bandes optiques différentes, disposés de part et d'autre du raidisseur, les capteurs optiques des deux groupes étant identiques, on additionne d'une part les signaux de mesure délivrés par une première paire de capteurs identiques et d'autre part les signaux de mesure délivrés par une deuxième paire de capteurs identiques, on multiplie l'une par l'autre les deux sommes obtenues et on détecte un manque d'interpénétration des cordons de soudure, dû à un défaut autre qu'un manque de puissance des faisceaux laser, lorsque le résultat est supérieur à un deuxième seuil prédéterminé.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, appliqué à la soudure d'un raidisseur (12) sur une tôle (10) par deux faisceaux laser (14) placés de part et d'autre du raidisseur, le raidisseur et la tôle étant positionnés au préalable l'un par rapport à l'autre par des points de soudure, dans lequel on utilise deux groupes d'au moins un capteur optique (C1,C2,C3;C4,C5,C6) disposés de part et d'autre du raidisseur, les capteurs optiques des deux groupes étant identiques, on divise l'un par l'autre les signaux de mesure délivrés par deux capteurs identiques et on détecte la présence de points de soudure de positionnement préalable déficients lorsque le résultat est supérieur à un troisième seuil prédéterminé.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, appliqué à la soudure d'un raidisseur (12) sur une tôle (10) par deux faisceaux laser (14) placés de part et d'autre du raidisseur, dans lequel on utilise deux groupes d'au moins deux capteurs optiques (C1,C2,C3;C4,C5,C6) détectant des variations d'intensité lumineuse du plasma dans des bandes optiques différentes, disposés de part et d'autre du raidisseur, les capteurs optiques des deux groupes étant identiques, on additionne d'une part les signaux de mesure délivrés par une première paire de capteurs identiques et d'autre part les signaux de mesure délivrés par une deuxième paire de capteurs identiques, on divise l'une par l'autre les deux sommes obtenues, et on détecte une largeur insuffisante du cordon de soudure lorsque le résultat de la division est inférieur à un quatrième seuil prédéterminé.
  7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, appliqué à la soudure bord à bord de deux tôles par un seul faisceau laser, dans lequel on utilise au moins deux capteurs optiques détectant des variations d'intensité lumineuse du plasma dans des bandes optiques différentes, on divise l'un par l'autre les signaux de mesure délivrés par deux des capteurs et on détecte un manque d'épaisseur du cordon de soudure lorsque le résultat obtenu est inférieur à un premier seuil et une absence de soudage lorsque le résultat est supérieur à un deuxième seuil, supérieur au premier.
  8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on acquiert les signaux de mesure au moyen d'au moins un groupe de trois capteurs (C1,C2,C3;C4,C5,C6), les capteurs de chaque groupe détectant les variations d'émission lumineuse du plasma respectivement dans une bande de fréquences principalement ultraviolette, dans une bande de fréquences principalement visible et dans une bande de fréquences principalement infrarouge.
  9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on utilise des capteurs optiques (C1,C2,C3;C4,C5,C6)comprenant chacun une fibre optique (16-1 à 16-6) dont une première extrémité est placée à proximité de la zone de soudage, un filtre optique (18-1 à 18-6) placé dans le prolongement de la deuxième extrémité de la fibre optique et une photodiode (20-1 à 20-6) placée en face de la deuxième extrémité de la fibre optique, de l'autre côté du filtre.
  10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel la première extrémité de la fibre optique est placée à environ 10 cm de la zone de soudage.
  11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on acquiert un signal de mesure supplémentaire au moyen d'un autre capteur optique (C7), détectant des variations d'énergie thermique du cordon de soudure en arrière de la zone de soudage.
  12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel l'autre capteur optique (C7) comprend une autre fibre optique (16-7) dont une première extrémité est placée en arrière de la zone de soudage et orientée vers le cordon de soudure, et une photodiode (20-7) sensible au rayonnement thermique et placée dans le prolongement de la deuxième extrémité de l'autre fibre optique.
  13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel la première extrémité de l'autre fibre optique (16-7) est placée à une distance comprise entre environ 10 cm et environ 20 cm, de la zone de soudage.
  14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 et 13, dans lequel un moyen optique de focalisation (22-7) est placé à la première extrémité de l'autre fibre optique (16-7).
  15. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on combine les signaux de mesure et on les compare auxdits seuils prédéterminés après que lesdits signaux aient été acquis en temps réel pour le cordon de soudage considéré.
  16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel on calcule la valeur moyenne, la valeur moyenne normalisée, puis l'écart type de chaque signal de mesure, et on diagnostique une qualité irrégulière de la soudure lorsque l'écart type dépasse une valeur prédéterminée.
  17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel on compare la valeur moyenne de chaque signal de mesure aux valeurs moyennes précédentes dudit signal, enregistrées pour un nombre donné de cordons de soudure contrôlés auparavant et on diagnostique une dérive de l'appareil de mesure lorsque la valeur moyenne du signal a varié d'environ 30%, au moins, par rapport aux valeurs moyennes précédentes.
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